平流层飞艇技术要求 第3部分：能源系统 征求意见稿

1GB/TXXXXX—XXXX平流层飞艇通用技术要求第3部分：能源系统本文件规定了平流层飞艇能源系统的技术要求、验证试验、检验规则以及标识、包装、运输和贮存等要求。本文件适用于平流层飞艇能源系统的设计与制造。采用太阳能供电的高空气球、无人机的能源系统可参照使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T5080.1—2012可靠性试验第1部分：试验条件和统计检验原理GB/T43328浮空器术语3术语和定义GB/T43328界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1能源系统energysystem平流层飞艇上产生、存储、变换、分配、控制电能的系统。3.2太阳能电池solarcell将太阳辐射能直接转换成电能的一种器件。3.3太阳能电池组件solarmodule把多个单体太阳能电池根据需要串并联起来并通过专用材料和专门的工艺封装后的部件。3.4太阳能电池阵列solarcellarray以串、并联方式组合的太阳能电池组件及其结构等所组成的发电装置。3.5最大功率跟踪（MPPT）控制器maximumpowerpointtrackingcontroller调节和控制太阳能电池阵列使其输出最大功率的装置。2GB/TXXXXX—XXXX3.6储能电池组energystoragebatterypack由一个或多个蓄电池组构成，能够存储和释放电能的设备。3.7功率变换装置powerconversiondevice将电能从一种形式转换为另一种形式的装置。4技术要求4.1组成平流层飞艇能源系统主要由电能产生、存储、变换、分配和控制的设备组成，平流层飞艇上典型的电能产生设备是由太阳能电池阵列和MPPT控制器组成的光伏发电系统；电能存储设备一般为储能电池组和应急电源；电能变换设备一般是对电能形式进行变换的功率变换装置；电能分配设备一般是将电能分配到各用的设备的配电设备；控制设备一般是对整个能源系统进行综合管理与控制的设备。注：电能变换、分配和控制等设备可根据需要分开4.2功能4.2.1系统功能能源系统应具备以下功能：a）能向飞艇各用电设备提供电能，满足飞艇各阶段的用电需求；b）根据飞艇用电设备的用电需求对电能进行分配、控制和保护；c）紧急情况下，应急电源应能向应急设备供电；d）当系统受到破坏或出现局部故障时，能隔离故障，能源系统的其它部分应不受影响，仍能保持正常工作；e）实现能源系统参数和状态的采集与上传；f）接受指令对能源系统进行控制与调节。4.2.2电能产生设备4.2.2.1太阳能电池阵列太阳能电池阵列应具备以下功能：a）在光照充足条件下将太阳能转换为电能为全艇设备供电并为储能电池组充电；b）在光照不足条件下与储能电池组共同为全艇设备供电；c）太阳能电池组件具备隔热功能，防止损伤飞艇囊体材料，根据需求在太阳能电池阵特定的组件中设置温度传感器监测太阳能电池组件的温度。4.2.2.2MPPT控制器MPPT控制器应具备以下功能：a）调节和控制太阳能电池阵列使其输出最大功率；3GB/TXXXXX—XXXXb）具备过温、限流等保护功能；c）根据需求远程开通或关断MPPT控制器输出；d）具备太阳能电池阵电压、电流、温度信息及自身电压、电流、温度等状态信息采集上传功能。4.2.3电能存储设备4.2.3.1储能电池组储能电池组应具备以下功能：a）在光照充足的条件下具备在线充电功能，存储太阳能电池阵发出的电能，在无光照条件下释放电能为全艇设备供电；b）具备电池管理系统（BMSBMS应能对相关参数进行实施监测，当出现电池组故障、过热、容量低等情况时，BMS能进行告警显示；c）具备过压、过流、过热、短路、过放电等保护功能；d）具备通信功能，能通过通信接口将电池状态信息和告警信息传递给上位机；e）根据需求远程开通或关断各组储能电池模组与供电母线的连接。4.2.3.2应急电源应急电源应具备以下功能：a）在应急情况下为应急设备供电，并实现应急设备的不间断供电；b）为安控系统配置独立的应急电源，确保最不利情况下安控系统供电的可靠性。4.2.4电能变换设备电能变换设备应具备以下功能：a）将母线的高压直流电能转换为适用于低压负载使用的电能形式；b）根据需求进行远程开启、关闭；c）具备短路保护、过流保护、过压保护、过热等保护功能，并且在故障消除后应恢复正常工作；d）具备双余度供电功能；e）具备收集自身电压、电流、温度等状态信息实时上传功能。4.2.5电能分配设备电能分配设备应具备以下功能：a）具备电能分配功能，根据需求将电能分配给各艇载用电设备；b）具备过载和短路保护功能，在设备或配电线路故障时进行保护和故障隔离；c）根据需求设置负载通道控制功能，根据需求对特定的负载的通断电进行控制；d）具备应急供电切换功能，在应急状态下将系统切换到应急供电模式；e）根据需求对各配电通路的电压、电流参数及工作状态进行监控。4.2.6电能控制设备电能控制设备应具备以下功能：4GB/TXXXXX—XXXXa）具备与艇载计算机（飞控或艇务计算机）通信功能；b）具备收集能源系统各设备工作参数、工作状态及报警信息实时上传功能；c）可接受上位机指令对能源系统各设备进行控制和管理。4.3性能4.3.1系统性能能源系统应满足以下性能要求：a）系统的全天发电总能量应满足飞艇用电设备的用电需求并可将储能电池组充满，可实现飞艇的能量平衡；b）储能电池组的容量应满足飞艇用电设备夜间的用电需求以实现飞艇的能量平衡；c）系统的最大输出功率应满足飞艇用电设备的最大用电功率需求；d）系统的供电质量应满足飞艇的要求，与飞艇用电设备相兼容；e）应急电源的供电质量和供电时间应满足飞艇应急情况的用电需求。4.3.2电能产生设备4.3.2.1太阳能电池阵列组成太阳能电池阵列的太阳能电池组件应满足以下性能要求：a）太阳能电池组件的转换效率应不小于21%（AM0条件下，即大气质量为零条件b）太阳能电池组件的面密度应不大于620g/m2；c）太阳能电池组件的重量比功率应不小于370W/kg（AM0条件下d）太阳能电池组件的隔热性能应保证在平流层环境下组件背板最高温度不超出飞艇囊体材料允许的温度，背板最高温度一般不应高于55℃;e）太阳能电池组件在寿命期内，组件效率衰减应满足型号专用规范的要求。4.3.2.2MPPT控制器MPPT控制器应满足以下性能要求：a）输入电压应与太阳能电池阵的输出相适应，输出电压应与储能电池组的电压相适应；b）转换效率应不小于95%；c）跟踪精度应不小于99%；d）重量比功率应满足型号专用规范的要求。4.3.3电能存储设备4.3.3.1储能电池组储能电池组应满足以下性能要求：a）母线电压应与MPPT控制器的输出压及用电设备的供电电压相适应；b）能量密度应不小于260Wh/kg；c）最大放电倍率应与飞艇用电设备的最大用电功率相适应；d）最大放电深度应不小于90%；5GB/TXXXXX—XXXXe）循环次数应满足飞艇的使用需求。4.3.3.2应急电源应急电源要求如下：a）输出电压应与应急用电设备的供电电压相适应；b）能量密度应不小于260Wh/kg；c）最大放电倍率应与飞艇用电设备的最大用电功率相适应。4.3.4电能变换设备电能变换设备要求如下：a）输入电压应与储能电池组的母线电压相适应，输出电压和功率应满足后端用电设备的需求；b）转换效率应不小于94%；c）重量比功率应不小于1500W/kg；d）稳压精度应不低于1%。4.3.5电能分配设备各通道压降应不大于0.4V。4.4接口4.4.1机械接口机械接口主要包括舱内设备与设备舱的安装接口、太阳能电池阵（或MPPT控制器）与飞艇囊体的安装接口、连接线缆与囊体和设备舱的安装接口等。能源系统的机械接口应与飞艇囊体和吊舱相适应。太阳能电池组件在囊体上一般采用固定片压边的方式进行安装并用绑扎绳紧固，太阳能电池组件的安装接口应具备足够的抗拉强度，防止损伤太阳能电池。安装在设备舱的能源系统设备一般采用螺栓的方式连接，应有相应的锁紧措施，安装接口应具有足够的机械强度，可承受任意飞行工况下的载荷。设备安装空间应不小于设备最大外形尺寸加上维修与通风所要求的适当距离；飞艇的布线和安装应符合型号专用规范的规定。4.4.2电气接口电气接口主要包括能源系统给艇载设备的供电接口、能源系统与艇载系统（飞控、艇务或信息传输系统）的通信接口。能源系统的电气接口应采用标准接口和通用接口，应说明接口规格和要求，明确作用和用途。必要时，规定各个接口的定量要求，供电接口的供电电压、电流等指标应与用电设备相适应，通信接口的类型、传输速率、数据格式、通信协议应与相应的系统相适应。4.4.3热接口能源系统的热接口主要指能源系统设备的发热量、散热、保温等要求，能源系统的热接口应与环控系统相适应。4.5重量6GB/TXXXXX—XXXX能源系统的重量应满足飞艇总体分配的指标。4.6环境适应性4.6.1自然环境能源系统应能适应平流层飞艇在各个任务阶段所经历的大气温度、大气压力、湿度、太阳辐射等环境条件，并在整个使用寿命期间内应能够在规定的条件下正常工作。4.6.2机械环境能源系统应能承受贮存、运输、地面测试和飞行包线内的所有振动、冲击和加速度环境条件。测试项目应包含振动、冲击、公路运输振动等。4.6.3电磁环境能源系统及其设备应能适应平流层的电磁环境，能源系统内部及能源系统和艇载其他系统应相互兼容，可在地面和平流层的电磁环境下正常工作。能源系统各设备应按照相关标准或型号专用规范的要求开展电磁兼容性测试。4.7可靠性能源系统应有冗余设计，其可靠性指标应满足飞艇系统总体所分配的可靠性指标要求。4.8安全性能源系统应满足飞艇安全性大纲的要求，应依据相关标准或型号专用规范，分析系统内每个风险的发生原因、发生的可能性及后果，确定其危险严重性和可能性，进行严重性和可能性等级划分，并采取相应的应对措施。储能电池组和应急电源的安全性应符合相关标准或型号专用规范的要求，必要时需进行相关安全性试验。5验证试验5.1试验项目为验证能源系统是否满足设计要求，应进行以下试验项目：a）组成和外观检查，对能源系统各设备数量、外观的检查，特别是太阳能电池组件的外观检查；b）功能试验，对能源系统的功能进行验证；c）性能试验，对能源系统的性能进行验证；d）接口检查，对能源系统的机械接口、电气接口和热接口进行检查和验证；e）重量检查，对能源系统的重量进行测量；f）能源系统环境试验，包括能源系统低温低气压环境测试、机械环境测试和电磁兼容性检查；g）可靠性试验；h）安全性试验。7GB/TXXXXX—XXXX5.2试验方法5.2.1组成和外观检查对能源系统组成及外观进行目视检查，特别是对太阳能电池组件的外观应着重检查，必要时采用专用工具对太阳能电池组件是否有破损、裂纹等情况进行检查。5.2.2功能试验5.2.2.1系统功能试验5.2.2.1.1能源系统通信及控制功能测试将能源系统通过通信接口与上位机相连，通过上位机查看能源系统通信状态、各设备参试上报情况是否正常。通过上位机发送能源系统各设备控制指令，观察各设备是否能够正确响应相应的控制指令。5.2.2.1.2能源系统工作模式及转换试验按图1开展测试，采用太阳能阵列模拟器模拟太阳能电池阵的输出，采用模拟负载模拟飞艇用电设备的功率，通过调节太阳能电池阵输出功率和模拟负载，使能源系统工作在不同模式下，测试能源系统在不同模式下的输出是否满足设计要求。具体步骤如下：a）调节太阳能电池阵列模拟器使其输出为白天最大光照条件，调节负载为飞艇白天平均功耗，储能电池组为未充满电状态，此时能源系统应工作在太阳能电池阵列最大功率输出，给负载供电并给蓄电池充电模式；b）当储能电池组基本充满电时，调节太阳能电池阵列模拟器使其输出为白天最大光照条件，调节负载为飞艇白天平均功耗，此时能源系统应自动转换到太阳能电池阵列限制功率输出模式，太阳能电池阵列给负载供电并给蓄电池浮充；c）调节太阳能电池阵列模拟器使其输出为白天日出或日落时间段光照条件，调节负载为飞艇白天平均功耗，此时，太阳能电池阵列发电功率无法满足负载需求，能源系统应自动切换到太阳能电池阵列与蓄电池联合输出给负载供电模式，由蓄电池补充放电来满足负载的需求；d）关闭太阳能电池阵列模拟器输出，模拟夜间情况，此时，太阳能电池阵列不发电，能源系统自动切换到储能电池组放电给负载供电模式；e）关闭太阳能电池阵列模拟器和储能电池组输出，模拟应急工作状态，能源系统应自动切换到应急工作模式，应急电源给各应急负载供电模式，其他负载不供电。图1测试原理框图5.2.2.1.3能源系统故障试验对能源系统不同设备故障的情况进行模拟测试，具体测试方法如下：a）选取典型负载通道，模拟负载短路，测试各负载通道保护器件是否进行相应的保护动作，其他8GB/TXXXXX—XXXX负载通道应能正常工作；b）模拟太阳能电池阵列过流、过温故障，测试故障太阳能电池阵列对应的MPPT控制器是否执行相应的保护动作，其他太阳能电池阵列应能正常工作；c）模拟有光照条件下储能电池故障无输出，观察系统的工作状态，系统进行告警并由太阳能电池阵列继续供电；模拟无光照条件下储能电池故障无输出，观察系统的工作状态，系统转换到应急供电状态，由应急电源给应急负载供电，其他设备不供电；d）模拟电能变换装置故障，系统应自动切换到应急供电，由应急电源给应急负载供电，其他由电能变换装置供电的设备不供电。5.2.2.2各设备功能试验各设备功能测试按各设备产品规范或产品标准进行。5.2.3性能试验5.2.3.1系统功能试验5.2.3.1.1系统发电量测试采用光照模拟设备模拟飞艇所处的平流层环境的光照强度、光照时长和照射角度，对太阳能电池阵列（或一个子阵）的发电量进行测试，记录并计算全天的累计发电量。注：若不具备此项测试条件，可采用专用软件来仿真5.2.3.1.2电能存储设备容量测试对储能电池组和应急电源开展常温和低温容量测试，具体测试方法如下：a）在（20±5）℃下，将充满电的蓄电池，以0.2C或飞艇用电设备的总平均功率放电至规定电压，计算累计的放电容量是否满足设计要求；b）将充满电的蓄电池在-70℃或型号专用规范规定的低温条件下，以0.2C或飞艇用电设备的总平均功率放电至规定电压，计算累计的放电容量是否满足设计要求。5.2.3.1.3负载瞬变试验按图1开展测试，采用太阳能阵列模拟器模拟太阳能电池阵的输出，采用模拟负载模拟飞艇用电设备的功率，通过调节太阳能电池阵输出功率和模拟负载，使能源系统工作在不同模式下，分别测试能源系统在太阳能电池供电、太阳能电池和锂电池联合供电、锂电池单独供电情况下，负载从50%跃变到100%和从100%跃变到50%时能源系统的供电质量，负载跃变斜率按型号专用规范的要求设定，一般不小于15.2.3.1.4能源系统能量平衡及循环试验按图1开展测试，采用太阳能阵列模拟器模拟飞行工况下太阳能电池阵一天的输出变化情况，采用模拟负载模拟飞艇用电设备功率一天的变化情况，模拟能源系统在平流层环境的一天工作情况，考核能源系统是否可以实现昼夜能量平衡及循环。5.2.3.1.5应急电源供电试验9GB/TXXXXX—XXXX按图1开展测试，负载采用真实应急负载（或采用模拟负载模拟真实应急负载的平均功率关闭太阳能电池阵列模拟器和储能电池组输出，模拟应急工作状态，应急电源给各应急负载供电，各应急负载应能正常工作且工作时间不小于型号专用规范规定的应急供电时间。5.2.3.2各设备性能试验各设备性能测试按各设备产品规范或产品标准进行。5.2.4接口检查对能源系统的机械接口、电气接口和热接口进行检查：a）机械接口检查采用安装检查的方式进行检查；b）电气接口检查随功能、性能试验开展；c）热接口检查随系统环境试验开展。5.2.5重量检查采用量具对能源系统各设备进行称重，能源系统各设备重量和系统总重量应满足满足指标要求。5.2.6能源系统环境试验5.2.6.1自然环境或机械环境试验按图2开展测试，将能源系统（除太阳能电池阵列）置于试验箱或试验台上，使能源系统处于平流层环境的低温低气压环境或机械环境下，对能源系统的功能和性能进行测试。图2测试原理框图5.2.6.2电磁环境试验将能源系统接入飞艇，在地面环境下采用能源系统对飞艇各用电设备和系统供电，验证能源系统和飞艇其他系统的电磁兼容性。注：各设备的电磁兼容性试验由设备承制厂家按5.2.7可靠性试验根据实际运行环境、工况、工作时长等，参照GB/T5080.1—2020开展可靠性试验。5.2.8安全性试验根据系统安全性要求，进行以下安全性分析与评估，识别系统安全性的薄弱环节，确认系统满足安全性要求。对储能电池组和应急电源根据相关标准或型号专用规范开展安全性试验。6检验规则6.1检验分类GB/TXXXXX—XXXX本标准规定的检验分类如下：a）鉴定检验；b）质量一致性检验。6.2鉴定检验6.2.1检验时机鉴定检验一般在设计定型和生产定型时进行。6.2.2检验项目检验项目按表1的规定进行。6.2.3检验